KR100581029B1

KR100581029B1 - 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조방법 및 이의 방법에 의해 제조된 도광판

Info

Publication number: KR100581029B1
Application number: KR1020040038385A
Authority: KR
Inventors: 황철진; 허영무; 강정진
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2006-05-16
Also published as: KR20050112934A

Abstract

본 발명은 3 차원적인 다면 렌즈를 형성하기 위한 방법으로서 기계 가공이 아닌 반도체 리플로우 공정을 통하여 제작하는 방법이다. 본 발명은 3 차원적인 다면 렌즈를 만들기 위하여 하나의 다면렌즈 구성을 위한 다수개의 지름이 다르며 각각의 거리가 다른 포토레지스트 재료의 원통형 기둥을 만들고 포토레지스트의 리플로우 특성을 이용하여 열처리를 통해 각각의 원통형 기둥이 높이와 지름에 따른 특정의 곡률을 가진 렌즈 형상이 되는 바, 인접한 렌즈 끼리 합치게 되는 효과를 이용하여 하나의 렌즈이면서 다수개의 곡률을 가지는 다면 렌즈로 만드는 것이다.

이러한 다면 렌즈는 빛의 굴절과 난반사를 조절하는 기능이 강화 되어 원하는 광학적 성능을 가진 개별 렌즈와 다수개의 어레이를 통하여 도광판 등에 응용할 수 있다.

리플로우, 다곡률렌즈, 도광판, 마이크로 렌즈, 다면렌즈

Description

반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법 및 이의 방법에 의해 제조된 도광판{Method for manufacturing multi-curvature microlens with reflow process and light guide plate using the method}

도 1은 본 발명에 사용되는 마스크의 사시도.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시 예에 따른 원기둥 형상의 포토 레지스트를 제조하는 노광 공정을 보인 공정도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 원기둥 형상의 포토 레지스트들의 직경 및 간격 특징을 보인 단면도.

도 4a와 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 리플로우 공정 후에 직경 및 간격 특징에 따라 변화된 포토 레지스트의 형상을 보인 사시도.

도 5a와 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 스탬퍼 제조 과정을 보인 공정도.

본 발명은 초미세패턴 형상가공 기술 및 미세사출성형기술에 관한 것으로, 특히, 마이크로 렌즈(micro-lens) 어레이(array) 또는 도광판(Light Guiding Plate: LGP) 등에 형성되는 다수의 렌즈를 다수개의 면 또는 다수개의 곡률을 가지도록 제조하는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 도광판에 관한 것이다.

일반적으로, 액정표시장치(LCD)의 백라이트 유닛은 액정표시장치의 패널 전체에 고르게 빛을 전달하는 조광장치로 사용되며, 상기 액정표시장치 패널에서는 투과되는 빛의 양을 일정하게 조절하여 화상을 표시한다.

CRT, PDP, FED와는 달리 액정표시장치에 의한 표시는 그 자체가 비발광성이기 때문에 빛이 없는 곳에서는 사용이 불가능하다. 이러한 단점을 보완하여 어두운 곳에서의 사용이 가능하게 할 목적으로 정보표시면을 균일하게 면조사하는 장치가 백라이트이다. 이를 위해 백라이트는 배경광원과, 빛을 반사시켜주는 반사판, 도광판, 확산판 등으로 구성된다. 여기서 도광판은 양측면에 광원으로 사용되는 배경광원에서 방출되는 빛을 액정표시장치의 전체면에 균일하게 조사시키는 역할을 한다.

그런데 종래에는 도광판의 전면을 일정방향으로 배열된 다수의 프리즘 형태로 제작하여 이웃하는 프리즘 형태간에 V형 그루브가 형성되게 제작하거나, 일정한 크기의 마이크로 렌즈를 도트(dot) 형식으로 배열되게 제작하여 효과를 극대화하고 있는데, 프리즘 형태로 제작하는 경우에 V형 그루브 패턴 형성 장치 등을 이용하는 기계적 가공을 하고 있다. 따라서 기계적 가공의 방식을 사용하는 종래에는 미세한 V형 그루브 패턴의 제조가 어려우며, 제조 기간이 길고 비용이 비싼 문제가 있다.

또한 광학적 차원에서 보면 도광판의 각 부분에서 광이 입사하는 각도가 다르고 광량이 다르므로 동일한 광학적 특성을 가진 마이크로 렌즈 또는 프리즘 형태 를 제작하는 것에 비해 도광판의 광 입사 위치별로 광학적 특성을 달리하도록 마이크로 렌즈 또는 프리즘 형태를 제작하는 것이 보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 그러나 아직까지 초미세 패턴 기술로는 쉽고 빠르게 서로 다른 광학적 특성을 가지도록 패턴을 제작하는 것이 개발되지 않고 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도광판을 이루는 다수의마이크로 단위의 렌즈들 중 적어도 전체 또는 일부의 렌즈를 다곡률렌즈로 제작하는 공정을 쉽고 간단하게 하며, 사용자의 의도에 따라 상기 다곡률렌즈의 곡률 또는 도광판에서의 위치를 용이하게 할 수 있게 하는 방법 및 이 방법에 의해 제작된 도광판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 다곡률렌즈는 서로 다른 곡률을 가진 하나의 마이크로 렌즈를 의미하며, 서로 다른 곡률이라는 것은 일예로 x축, y축, z축 등 중 적어도 2 방향에 대한 곡률이 서로 다른 것을 의미한다.

본 발명은 이러한 다곡률렌즈가 복수개 형성된 도광판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 빛을 통과시키지 않는 다수의 차단영역을 가지며 상기 다수의 차단 영역중 일부의 직경이 서로 다른 제1 마스크를 포토레지스트가 코팅된 기판 상에 정렬시켜 노광하는 제1 단계; 상기 노광된 기판을 현상하여 기둥 형태를 가진 다수의 포토레지스트를 얻는 제2 단계; 리플로우 공정을 수행하여 상기 기둥 형태의 포토레지스트를 만곡시키되, 상기 기둥 형태의 포토레지스트들 중 적어도 일부가 이웃하는 포토레지스트에 의해 다곡률렌즈 형상이 될 때까지 리플로우 공정을 수행하는 제3 단계; 상기 제3 단계를 통해 제조된, 적어도 일부가 다곡률렌즈 형상을 가진 포토레지스트를 음각한 제1 스탬퍼를 제작하는 제4 단계; 및 상기 제1 스탬퍼를 금형으로 하여 상기 다곡률렌즈가 양각된 제품을 사출하는 제5 단계를 포함하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 기술은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명을 위해서는 우선적으로 노광 공정에 사용될 도 1에 도시된 바와 같은 마스크(21)를 제조를 한다. 여기서 마스크는 패턴의 정밀도에 따라 필름 마스크나 크롬 마스크 등이 결정된다. 크롬 마스크를 사용하면 1 ㎛ 정도의 정밀도로 제작이 가능하다.

도 1은 본 발명에 사용되는 마스크의 사시도이다. 노광 공정에 사용될 마스크(21)에는 빛이 통과하는 제1 부분(22)과 빛이 통과하지 못하는 다수의 제2 부분(23)으로 나눠지며, 상기 제2 부분(23)이 원형의 형상을 가진다. 본 발명은 상기 제2 부분(23)을 원형이 아닌 다른 형상 즉, 사각, 오각, 육각 등의 형상으로 할 수 있다.

그리고 본 발명의 마스크는 다수의 제2 부분(23)을 동일한 형상, 동일한 직경과 동일한 간격으로 제작할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 제2 부분(23)이 동일한 원형 형상을 가지나 직경이 다르고 그 간격 또한 다르게 제작하는 것이 양호하다. 상기 제2 부분(23)의 직경을 다르게 하고 그 간격을 다르게 하는 이유는 이하에서 설명한다.

한편, 도 2a와 같이 스핀 코터(Spin Coater) 장비를 이용하여 유리 또는 실리콘 웨이퍼 기판(31) 상에 감광제인 PR(Photoresist; 32)를 코팅한다. 이때 사용되는 PR(32)의 종류는 두께에 따라 다양하게 정할 수 있는데, 두꺼운(Thick) PR인 AZ 계열의 9260을 사용하면 코딩된 PR의 두께는 10㎛가 된다. 코팅이 끝나면 오븐기에 넣고 코팅된 기판(31)을 소프트 베이킹(Soft baking)을 한다. 이때 베이킹 조건은 온도 95℃에 시간은 30분 정도인 것이 양호하다.

상기 소프트 베이킹이 끝나면, 도 2b에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 PR 코팅된 기판(31) 상에 얼라인(align) 키(key)에 맞춰서 얼라인시키고, 정해진 시간 으로 노광공정을 실시한다. 이때 노광 공정에 사용되는 마스크(21)는 직경이 다르고 그 간격이 다른 다수의 제2 부분(23)을 가진 마스크이다. 도 2b에서, R1, R2, R3, R4는 해당 제2 부분(23)의 직경이며 서로 다르다. 그리고 L1, L2, L3, L4는 제2 부분(23) 간의 간격으로 서로 다르다.

노광공정이 끝나면 현상 작업을 한다. 이때 현상액 종류는 AZ 계열의 400K이고, 현상 조건은 현상액 온도 23℃에 6분 동안 디핑(Dipping)하는 방식을 취한다. 현상을 하면, 도 2c에 도시된 바와 같이 마스크(21)를 통과한 빛을 쬔 PR 부분은 용해되고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남는다. 결국 기판(31)에 남는 것은 빛을 받지 않은 부분의 PR(34)이며, 마스크(21)에 형성된 빛을 통과시키지 않은 제2 부분(23)의 형태가 원의 형태이므로 PR(34)은 원기둥의 형상이 된다.

그리고 노광공정에 의해 형성된 원기둥 형상의 PR(34)은 마스크(21)의 제2 부분(23)들의 패턴에 따르므로, 직경 및 간격이 다른 원기둥 형상의 PR이 존재한다. 여기서 각 원기둥 PR(34)들의 높이는 동일하다.

상기와 같이 원기둥 형상의 PR(34)들의 직경이 다르고 그 간격이 다르다는 것은 도 3을 통해 확인할 수 있다. 도 3은 노광된 기판을 가로 또는 세로 방향으로 절단한 단면도이다. 도 3을 보면 PR(34)들은 동일한 높이를 가지나, 직경(w1, w2, w3)이 다르고 간격(La, Lb)이 다름을 알 수 있다.

상술한 현상 작업을 마치면, 핫(Hot) 플레이트(Plate) 장비를 이용해 리플로우(Reflow) 공정을 수행하여 도 2c와 도 3에 도시된 원기둥 형상의 PR(34)을 만곡시킨다. 상기 리플로우 공정은 PR(34)에 열을 가하여 상기 감광제(즉, PR)가 열을 받아서 녹아 내리게 하는 공정이다. 이때 리플로우 조건은 제조 형상에 따라 달라지는데, 온도 100~200℃ 사이에 수분 동안 실시한다.

이때 본 발명은 상기 리플로우 공정을 통해 원기둥 형상의 PR(34)을 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같은 형상이 되게 한다. 도 4a는 본 발명에 따른 리플로우 공정 후의 PR의 상태를 보인 평면도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 리플로우 공정 후의 PR의 상태를 보인 단면도이다. 즉, 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이, 원기둥 형상의 PR(34)을 리플로우 공정에 의해 이웃하는 PR과 적어도 접하거나 오버랩(overlap)되게 하여, 하나의 마이크로 곡률렌즈 형상이 이웃하는 PR과의 다른 경사(K1, K2)로 인해 다면렌즈 또는 다곡률렌즈가 되게 한다. 결국 가로 방향으로 이웃하는 PR간의 경사각과 세로 방향으로 이웃하는 PR 간의 경사각을 조절하면 원하는 지점의 마이크로 렌즈 형상을 다곡률렌즈로 제작할 수 있다.

이렇게 이웃하는 PR 간에 경사각 즉, 그루브를 형성하게 되는 것은 마스크(21) 제작시에 제2 부분(23)의 직경 또는 이웃하는 제2 부분간의 간격에 의해 결정된다. 만약 이웃하는 PR(34)간에 간격에 비해 두 PR의 직경이 충분히 크지 않거나, 이웃하는 PR의 직경에 비해 간격이 충분히 작지 않으면 이웃하는 PR(34) 간에는 그루브가 형성되지 않는다.

결국, 이웃하는 PR들의 간격을 고정한 채 PR의 직경을 점차적으로 크게 하면 리플로우 공정 후에 이웃하는 PR들간에 오버랩되는 면적이 많아지게 되고, 또는 이웃하는 PR들의 직경을 고정한 채 간격을 점차적으로 좁히면 리플로우 공정 후에 이웃하는 PR들간에 오버랩되는 면적이 많아지게 된다. 여기서 오버랩되는 면적이 작게 되면 PR간에 형성된 그루브의 내각(즉 경사각)이 작아지고, 오버랩되는 면적이 많아지면 그루브의 내각(즉 경사각)이 커지게 된다. 도 4b를 보면 오버랩되는 면적이 많은 경사각(K1)이 경사각(K2)보다 내각이 크다.

본 출원인은 이러한 특성을 실험에 의해 확인하였으며, PR의 직경 및 PR 간의 간격에 따라 형성되는 그루브의 내각을 수치화하고 있다. 이는 본 출원인의 의도에 따라 마스크의 제2 영역을 조절하면 아주 용이하게 원하는 형태의 그루브를 만들 수 있게 됨을 의미하고, 나아가 원하는 형태의 그루브를 만들 수 있다는 것은 하나의 곡률렌즈 형상에서 원하는 방향으로 곡률을 조절할 수 있음을 의미한다.

리플로우 공정을 통해 이웃하는 PR의 형상 또는 거리에 따른 다곡률렌즈를 형성시키면, 도 5a에 도시된 바와 같이 다수의 다곡률렌즈가 패턴으로 형성된 기판(31) 상에 금속 박막(41)을 코팅한다. 이때 상기 금속 박막(41) 코팅은 보통 크롬(Cr) 코팅을 많이 하며, 금(Au)을 추가로 코팅하기도 한다.

상기 금속 박막 코팅이 끝나면, 기판(31)을 도금장비에 장착하고 도 5b에 도시된 바와 같이 니켈 전기 도금을 실시한다. 이때 공급되는 전류는 각 스텝에 따라 수 암페어를 흘리며 이에 따른 도금두께는 400~450㎛가 되고(4인치 웨이퍼 기준), 니켈 도금된 부분이 스탬퍼(stamper; 42)가 된다.

상기 니켈 전기 도금을 통해 스탬퍼(42)를 만들면, 기판(31)과 스탬퍼(42)를 분리시킨다. 이때 분리된 스탬퍼(42)는 다곡률렌즈의 어레이 패턴이 음각으로 전사된 형태를 가진다. 즉, 스탬퍼(42)에는 다곡률렌즈 형태의 어레이 패턴이 음각으로 새겨져 있고 구면 렌즈 형태 간의 그루부가 양각으로 새겨져 있다.

상기와 같이 음각의 다곡률렌즈 형상을 가진 스탬퍼(42)를 제작하면, 상기 스탬퍼(42)를 금형으로 하여 양각의 다곡률렌즈 어레이 패턴을 가진 도광판 또는 마이크로 렌즈 어레이를 사출한다.

만약 음각의 다곡률렌즈 어레이 패턴을 가진 도광판을 제조하고자 하는 경우이면, 상기 스탬퍼(42)에 다시 한번 새로운 니켈 도금 부분을 하고, 새로운 니켈 도금 부분을 스탬퍼(42)와 분리시킨다. 이렇게 스탬퍼(42)와 분리된 새로운 니켈 도금 부분은 상기 스탬퍼(42)가 전사된 형태를 가지는 새로운 스탬퍼가 된다. 즉, 새로운 스탬퍼는 다곡률렌즈 어레이 패턴이 양각으로 새겨져 있고 다곡률렌즈 간의 그루부가 음각으로 새겨져 있다. 따라서 새로운 스탬퍼를 금형으로 하면 음각의 다곡률렌즈 어레이 패턴을 가진 도광판을 사출할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아 니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상술한 설명에 따르면 본 발명은 리플로우 공정을 통해 이웃하는 포토레지스터 간에 의한 다곡률렌즈를 제작시킴으로써 간단한 제조 공정으로 미세한 다곡률렌즈 어레이 패턴을 제조할 수 있으며, 그에 따라 비용을 줄이고 제조 시간을 단축시키는 효과가 있다. 또한 본 발명은 리플로우되는 포토레지스터의 직경 또는 간격을 조절함으로써 포토레지스트간의 그루브의 내각을 제작자 임의대로 제조할 수 있어서 원하는 광학적 성질을 가지는 다곡률렌즈를 도광판에 임의대로 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

빛을 통과시키지 않는 다수의 차단영역을 가지며 상기 다수의 차단 영역중 일부의 직경이 서로 다른 제1 마스크를 포토레지스트가 코팅된 기판 상에 정렬시켜 노광하는 제1 단계;

상기 노광된 기판을 현상하여 기둥 형태를 가진 다수의 포토레지스트를 얻는 제2 단계;

리플로우 공정을 수행하여 상기 기둥 형태의 포토레지스트를 만곡시키되, 상기 기둥 형태의 포토레지스트들 중 적어도 일부가 이웃하는 포토레지스트에 의해 다곡률렌즈 형상이 될 때까지 리플로우 공정을 수행하는 제3 단계;

상기 제3 단계를 통해 제조된, 적어도 일부가 다곡률렌즈 형상을 가진 포토레지스트를 음각한 제1 스탬퍼를 제작하는 제4 단계; 및

상기 제1 스탬퍼를 금형으로 하여 상기 다곡률렌즈가 양각된 제품을 사출하는 제5 단계를 포함하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 마스크는 필름 마스크 또는 크롬 마스크인 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 마스크의 다수의 차단영역은 면적이 다른 적어도 하나 이상의 차단 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 마스크의 다수의 차단영역은 이웃간의 거리가 다른 적어도 하나 이상의 차단영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제3 또는 제4항에 있어서,

상기 제1 마스크의 각 차단영역은 원형인 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 제4 단계는 금속 박막을 코팅하는 단계와, 상기 금속 박막 상에 니켈 전기 도금을 수행하고 상기 니켈 전기 도금한 부분만을 떼어내는 단계 및, 상기 니켈 전기 도금한 부분을 상기 스탬퍼로 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 금속 박막 코팅은 크롬 코팅인 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 금속 박막 코팅은 상기 크롬을 코팅한 후 금을 추가로 코팅하는 것을 특징으로 하는 반도체 리플로우 공정를 이용한 다수의 다곡률렌즈 제조 방법.
제8항에 있어서,

상기 제1 스탬퍼를 이용하여 상기 다곡률렌즈의 형상이 양각된 제2 스탬퍼를 제작하고, 상기 제2 스탬퍼를 금형으로 하여 상기 다곡률렌즈의 형상이 음각된 제품을 사출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 그루브 패턴 형성 방법.
청구항 1의 방법에 따라 제작되며, 마이크로 렌즈 형상의 곡률 렌즈를 복수개로 하여 이루어지고, 상기 복수개의 곡률 렌즈 중 적어도 일부의 곡률 렌즈는 적어도 2개의 서로 다른 방향축에 대한 곡률이 다른 것을 특징으로 하는 도광판.